土的设计参数测定原位测试与现场试验.ppt

土的设计参数测定土的设计参数测定(原位测试与现场试验原位测试与现场试验)同济大学同济大学 高大钊高大钊原位测试与现场试验原位测试与现场试验l 两者的相同点都是在现场进行的，与土体的两者的相同点都是在现场进行的，与土体的原始物理状态、应力状态等有关原始物理状态、应力状态等有关l 原位测试是在土体的局部施加荷载测定土的原位测试是在土体的局部施加荷载测定土的反应以估计土的指标，如强度指标、变形指标等反应以估计土的指标，如强度指标、变形指标等l 现场试验是在比较大的范围内施加荷载测读现场试验是在比较大的范围内施加荷载测读土的综合反应，用于检验设计计算的正确性，测土的综合反应，用于检验设计计算的正确性，测定施工过程中地基土的反应，估计宏观的指标范定施工过程中地基土的反应，估计宏观的指标范围以校正原位测试或室内试验的结果围以校正原位测试或室内试验的结果这两种试验与土力学的关系这两种试验与土力学的关系l1. 原位测试与现场试验的基本原理大部原位测试与现场试验的基本原理大部分基于土力学的理论分基于土力学的理论l2. 原位测试与现场试验的分析计算为土原位测试与现场试验的分析计算为土力学的计算提供参数力学的计算提供参数l3. 原位测试与现场试验的发展离不开土原位测试与现场试验的发展离不开土力学的支撑力学的支撑内内 容容l一、地面荷载作用下的变形与承载能力课题一、地面荷载作用下的变形与承载能力课题l二、深层荷载作用下的变形与承载能力课题二、深层荷载作用下的变形与承载能力课题l三、有效应力原理与渗透固结三、有效应力原理与渗透固结l四、轴对称圆筒扩张课题四、轴对称圆筒扩张课题l五、现场试验的试验设计五、现场试验的试验设计地面荷载作用下的地面荷载作用下的变形与承载能力课题变形与承载能力课题l 堆载试验与平板载荷试验都是施加堆载试验与平板载荷试验都是施加地面荷载的试验；地面荷载的试验；l 测定荷载与地面变形曲线，要求高测定荷载与地面变形曲线，要求高的还应有深层的变形或应力的测定；的还应有深层的变形或应力的测定；l 用于测定地基的承载能力；用于测定地基的承载能力；l 用于测定地基的变形模量。

用于测定地基的变形模量模拟建筑物加载过程模拟建筑物加载过程平板载荷试验与工程实际的差别平板载荷试验与工程实际的差别l1. 压板面积的尺寸效应压板面积的尺寸效应l2. 试验的影响深度试验的影响深度l3. 层状土的问题层状土的问题l4. 时间效应时间效应l5. 埋深影响的问题埋深影响的问题l6. 堆载试验可在一定程度上解决尺寸效堆载试验可在一定程度上解决尺寸效应带来的问题应带来的问题地面荷载作用下的土力学问题地面荷载作用下的土力学问题l1. Boussinesq解的应用解的应用l2. 基础刚度对反力分布的影响基础刚度对反力分布的影响l3. 变形模量与压缩模量的关系变形模量与压缩模量的关系l4. 地基承载力的弹塑性分析地基承载力的弹塑性分析l5. 地基承载力的刚塑性分析地基承载力的刚塑性分析Boussinesq解的应用解的应用l什么是什么是Boussinesq课题？课题？lBoussinesq课题是荷载作用于弹性半无限课题是荷载作用于弹性半无限体表面，研究半无限体内的应力与变形体表面，研究半无限体内的应力与变形的分布规律的分布规律l平板载荷试验的变形模量的计算公式就平板载荷试验的变形模量的计算公式就是在是在Boussinesq解的基础上得到的。

解的基础上得到的集中荷载作用下的地表沉降集中荷载作用下的地表沉降基础刚度对底面反力分布的影响基础刚度对底面反力分布的影响l实际基础与荷载的理想分布之间存在差别；实际基础与荷载的理想分布之间存在差别；l实际基础具有一定的刚度，具有扩散、分布实际基础具有一定的刚度，具有扩散、分布荷载的作用；荷载的作用；l基础越柔，基础底面反力的分布越与荷载的基础越柔，基础底面反力的分布越与荷载的分布趋于一致；分布趋于一致；l基础越刚，反力的分布越不均匀；基础越刚，反力的分布越不均匀；l在荷载增加的过程中，反力分布从马鞍在荷载增加的过程中，反力分布从马鞍形变为覆钟形形变为覆钟形柔性基础和刚性基础比较柔性基础和刚性基础比较l如果基础上作用着均布荷载，如果基础上作用着均布荷载，l绝对柔性基础的反力也是均布的；绝对柔性基础的反力也是均布的；l但各点的沉降是不相等的，但各点的沉降是不相等的，l中点最大，边缘次之，角点最小中点最大，边缘次之，角点最小l绝对刚性基础各点的沉降是相等的，绝对刚性基础各点的沉降是相等的，l但反力分布是不均匀的；但反力分布是不均匀的；l在弹性阶段，中点最小，边缘次之，角在弹性阶段，中点最小，边缘次之，角点最大。

点最大绝对柔性基础沉降绝对柔性基础沉降l矩形面积上的均布荷载：矩形面积上的均布荷载：l角点沉降角点沉降l角点沉降系数角点沉降系数lm为矩形面积的长宽比为矩形面积的长宽比绝对柔性基础中点沉降绝对柔性基础中点沉降绝对柔性基础的平均沉降绝对柔性基础的平均沉降绝对刚性基础的沉降绝对刚性基础的沉降l基础底面保持平面基础底面保持平面l在中心荷载作用下在中心荷载作用下沉降系数表沉降系数表圆圆形形方方形形矩形（矩形（l/b））1.01.52.03.04.05.010.0100 c0.640.560.680.770.890.981.051.272.00 01.001.121.361.531.781.962.102.534.00 m0.850.951.151.301.531.701.832.253.69 r0.790.881.081.221.441.611.722.123.40偏心荷载作用下刚性基础的倾斜偏心荷载作用下刚性基础的倾斜l圆形基础圆形基础l矩形基础矩形基础变形模量变形模量l用用绝对刚性基础的沉降计算的公式绝对刚性基础的沉降计算的公式l系数系数 取取0.79 （圆形板）（圆形板） 0.88（方形板）（方形板）l  称为称为泊松比即侧膨胀系数泊松比即侧膨胀系数两种极端的情况两种极端的情况l不可压缩的液体，其侧膨胀系数不可压缩的液体，其侧膨胀系数   ＝＝0.5；；l刚体的侧膨胀系数刚体的侧膨胀系数  ＝＝0；；l当当  ＝＝0.5时，时，K0＝＝1；；l当当  ＝＝0时，时，K0＝＝0；；泊松比与侧压力系数泊松比与侧压力系数的理论关系的理论关系静止侧压力系数的试验室测定静止侧压力系数的试验室测定l静静止止侧侧压压力力系系数数测测定定装装置置的的基基本本要要求：求：l a．．满足土体无侧向变形的条件满足土体无侧向变形的条件l b．．施施加加在在试试样样上上的的竖竖向向力力和和侧侧向向力必须符合主应力的条件力必须符合主应力的条件l c．．无无滞滞后后地地反反映映土土体体中中的的应应力力、、应变和孔隙水压力的变化应变和孔隙水压力的变化原位试验测定静止侧压力系数原位试验测定静止侧压力系数l静止侧压力系数还可以用原位试验测定，静止侧压力系数还可以用原位试验测定，从原理上说，旁压试验和扁铲侧胀试验从原理上说，旁压试验和扁铲侧胀试验都可以测定静止侧压力系数，但预钻式都可以测定静止侧压力系数，但预钻式的旁压仪由于孔壁的应力释放和缩径，的旁压仪由于孔壁的应力释放和缩径，已无法恢复到原来的状态；自钻式旁压已无法恢复到原来的状态；自钻式旁压仪可以用零侧向变位的方法来计算侧压仪可以用零侧向变位的方法来计算侧压力；根据扁铲侧胀试验的资料，可以用力；根据扁铲侧胀试验的资料，可以用下式计算下式计算 水平应力指数水平应力指数KD和扁胀指数和扁胀指数IDl由扁胀指数由扁胀指数KD求侧压力系数求侧压力系数:泊松比的经验数值泊松比的经验数值土的类别及状态土的类别及状态泊松比泊松比 碎石土碎石土0.15~0.20砂土砂土0.20~0.25粉土粉土0.25粉质粉质粘土粘土坚硬状态坚硬状态0.25可塑状态可塑状态0.30软塑及流塑状态软塑及流塑状态0.35粘粘 土土坚硬状态坚硬状态0.25可塑状态可塑状态0.35软塑及流塑状态软塑及流塑状态0.45关于变形模量计算公式的讨论关于变形模量计算公式的讨论l1. 承压板是刚性还是柔性的？承压板是刚性还是柔性的？l2. 荷载作用面的标高在地面还是在基础荷载作用面的标高在地面还是在基础底面？底面？l3. 压板底面压力的分布是均匀分布还是压板底面压力的分布是均匀分布还是不均匀的？不均匀的？l4. 对层状土的试验如何分析？对层状土的试验如何分析？l5. 变形模量的应力应变条件是什么？变形模量的应力应变条件是什么？变形模量是在什么条件下变形模量是在什么条件下应力应变关系曲线的斜率应力应变关系曲线的斜率l变形模量是在单轴侧向自由膨胀条件下变形模量是在单轴侧向自由膨胀条件下的应力～应变关系曲线的斜率。

的应力～应变关系曲线的斜率一个非常重要的概念一个非常重要的概念l载荷试验时，整个土体处于侧向有限膨载荷试验时，整个土体处于侧向有限膨胀的状态；胀的状态；l但用弹性理论计算得到的变形模量的变但用弹性理论计算得到的变形模量的变形条件是单元体在侧向自由膨胀的条件，形条件是单元体在侧向自由膨胀的条件，完全符合胡克定律的变形条件；完全符合胡克定律的变形条件；l上述两个似乎是完全矛盾的概念，其实上述两个似乎是完全矛盾的概念，其实是统一的是统一的压缩试验的应力条件压缩试验的应力条件l侧向由刚性环刀制约侧向由刚性环刀制约l侧向不能自由膨胀侧向不能自由膨胀l存在侧向压力存在侧向压力压缩模量与变形模量的比较压缩模量与变形模量的比较l压缩模量压缩模量l1. 侧向不能膨胀侧向不能膨胀l2. 侧向的压力等于竖侧向的压力等于竖向压力乘以侧压力系向压力乘以侧压力系数数l3. 轴对称应力状态轴对称应力状态l4. 一维的变形状态一维的变形状态l变形模量变形模量l1. 侧向自由膨胀侧向自由膨胀l2. 侧向压力等于零侧向压力等于零l3. 一维应力状态一维应力状态l4. 轴对称的变形状态轴对称的变形状态压缩模量的应力应变条件压缩模量的应力应变条件l1. 压缩试验土样的侧向不能膨胀压缩试验土样的侧向不能膨胀l2. 压缩试验土样的周围作用着侧压力压缩试验土样的周围作用着侧压力l3. 压缩模量表达式压缩模量表达式变形模量的应力应变条件变形模量的应力应变条件l1. 单元体的侧向应力为零单元体的侧向应力为零l2. 单元体的侧向应变为单元体的侧向应变为l3. 变形模量表达式变形模量表达式三向应力条件的广义胡克定律三向应力条件的广义胡克定律l假定土是各向同性的、均匀的，即各个假定土是各向同性的、均匀的，即各个方向的变形模量是相同的，在各个不同方向的变形模量是相同的，在各个不同的点是相等的。

的点是相等的l在土的单元体上，在土的单元体上，X、、Y、、Z三个方向的三个方向的垂直面上作用着法向应力垂直面上作用着法向应力 x、、  y、、  zl将胡克定律推广到三向应力条件将胡克定律推广到三向应力条件l广义胡克定律广义胡克定律l载荷试验的变形模量计算公式就是应用载荷试验的变形模量计算公式就是应用广义胡克定律的弹性理论得出的：广义胡克定律的弹性理论得出的：对压缩试验的分析对压缩试验的分析l压缩试验的土样处于三向应力条件压缩试验的土样处于三向应力条件l用广义胡克定律分析压缩试验用广义胡克定律分析压缩试验l将将 代入上式得代入上式得l考察考察 zl由压缩试验由压缩试验l令上两式相等令上两式相等压缩模量和变形模量的比较压缩模量和变形模量的比较l在其他条件相同时，压缩模量与变形模在其他条件相同时，压缩模量与变形模量哪个大？量哪个大？l压缩模量大于变形模量，压缩模量大于变形模量，l为什么？为什么？l实际上有压缩模量小于变形模量的情况，实际上有压缩模量小于变形模量的情况，l为什么？为什么？用载荷试验求地基承载力的理论支持用载荷试验求地基承载力的理论支持l载荷试验如何模拟地基的承载性能载荷试验如何模拟地基的承载性能？？l在地面荷载作用下，地基中应力场在地面荷载作用下，地基中应力场和应变场的变化，以及极限平衡状和应变场的变化，以及极限平衡状态的产生条件，如何用地面作用荷态的产生条件，如何用地面作用荷载来描述地基的承载性能。

载来描述地基的承载性能确定地基承载力的理论方法确定地基承载力的理论方法l地基承载力的弹塑性解：地基承载力的弹塑性解：l弹性理论的应力解和极限平衡理论弹性理论的应力解和极限平衡理论的混合解：的混合解：l地基承载力的刚塑性解：地基承载力的刚塑性解：l假定滑动体，考虑力系平衡求解假定滑动体，考虑力系平衡求解地基承载力的弹塑性解地基承载力的弹塑性解l用弹性理论的结果计算地基中的应力：用弹性理论的结果计算地基中的应力：l根据极限平衡理论分析出现极限平衡点根据极限平衡理论分析出现极限平衡点的位置：的位置：l用限制塑性区范围的方法来确定地基容用限制塑性区范围的方法来确定地基容许承载力：许承载力：l其结果是临塑荷载或其结果是临塑荷载或p1/4l称为称为Пузаревский课题Flamant应力解的极坐标表达式应力解的极坐标表达式l条形分布的荷载作用下，土中主应力分布条形分布的荷载作用下，土中主应力分布的极坐标表示：的极坐标表示：l 为最大主应力的作用为最大主应力的作用l方向与竖直线之间的夹角方向与竖直线之间的夹角l从从M点到荷载宽度边缘连线的夹角称为视角：点到荷载宽度边缘连线的夹角称为视角：l用视角表示的主应力表达式：用视角表示的主应力表达式：l凡视角凡视角2 相等的点其主应力也相等，土中主应力相等的点其主应力也相等，土中主应力的等值线是通过荷载分布宽度两个边缘点的园。

的等值线是通过荷载分布宽度两个边缘点的园对土体自重应力的处理对土体自重应力的处理l考虑土体重力的影响，竖向体积力考虑土体重力的影响，竖向体积力l水平向应力水平向应力l假定侧压力系数等于假定侧压力系数等于1.0，由土体自重产，由土体自重产生的主应力各个方向都相等生的主应力各个方向都相等以主应力表示的极限状态条件以主应力表示的极限状态条件l 将极坐标表示的主应力代入极限状将极坐标表示的主应力代入极限状态条件：态条件：l求出现极限状态点的深度：求出现极限状态点的深度：通过求导计算最大深度通过求导计算最大深度荷载与塑性区最大深度的关系荷载与塑性区最大深度的关系令令zmax=0，，得临塑荷载得临塑荷载令令zmax=1/4基础宽度，得基础宽度，得p1/4临界荷载公式的性质临界荷载公式的性质l临塑荷载公式和临塑荷载公式和p1/4公式统称为临界荷载公式统称为临界荷载公式：公式：l按其性质是属于容许承载力按其性质是属于容许承载力l对于砂类土，求得的地基承载力偏小：对于砂类土，求得的地基承载力偏小：l地基基础设计规范中的公式是在地基基础设计规范中的公式是在p1/4公式公式的基础上经过经验修正的公式。

的基础上经过经验修正的公式对理论公式的经验修正对理论公式的经验修正关于埋深影响的讨论关于埋深影响的讨论l1. 标准试验的处理标准试验的处理l无埋深影响，试坑宽度为压板宽度的无埋深影响，试坑宽度为压板宽度的3倍：倍：l2. 有埋深的试验有埋深的试验l是非标准试验；是非标准试验；l3. 对承载力系数的试验研究对承载力系数的试验研究l需要修正和如何修正；需要修正和如何修正；l4. 对公式的不正确使用对公式的不正确使用l用于对深层土的承载力评价方法用于对深层土的承载力评价方法地基承载力的刚塑性解地基承载力的刚塑性解l1. 假定滑动面假定滑动面l2. 假定极限状态时产生整体滑动假定极限状态时产生整体滑动l3. 根据假定给出脱离体上的力系根据假定给出脱离体上的力系l4. 考虑力系的平衡求解未知的基础底面考虑力系的平衡求解未知的基础底面荷载荷载Prandtl解解l无体积力，底面光滑，无摩擦条件下无体积力，底面光滑，无摩擦条件下Reissner的补充的补充l考虑基础两侧的超载影响考虑基础两侧的超载影响Taylor的补充的补充l考虑土体自重的影响，滑动面的形状就考虑土体自重的影响，滑动面的形状就不再是对数螺旋曲线了，理论上无法求不再是对数螺旋曲线了，理论上无法求解析解。

解析解l将自重影响用有关换算粘聚力来表示：将自重影响用有关换算粘聚力来表示：承载力计算公式的最终结果承载力计算公式的最终结果刚塑性承载力公式的性质刚塑性承载力公式的性质l刚塑性地基承载力公式按其性质属于地刚塑性地基承载力公式按其性质属于地基极限承载力：基极限承载力：l其结果的应用需要除以安全系数得到容其结果的应用需要除以安全系数得到容许承载力许承载力l对于砂类土的计算结果偏大；对于砂类土的计算结果偏大；l对于粘性土的计算结果比较接近对于粘性土的计算结果比较接近Skempton公式的滑动面形状公式的滑动面形状l脱离体脱离体OCDI的力系的力系l各力对各力对A点力矩的平衡，得：点力矩的平衡，得：Terzaghi解解l假定基础底面粗糙假定基础底面粗糙l条形基础条形基础l圆形基础圆形基础l方形基础方形基础考虑基础底面粗糙度的影响考虑基础底面粗糙度的影响能否用于计算深基础承载力？能否用于计算深基础承载力？l对于深基础需要考虑下列几个问题：对于深基础需要考虑下列几个问题：l1. 荷载作用面以上土体的作用下破裂面荷载作用面以上土体的作用下破裂面的形状和力系平衡方式的改变的形状和力系平衡方式的改变l2. 深基础侧面摩阻力的作用深基础侧面摩阻力的作用l3. 超载土体的抗剪强度的影响超载土体的抗剪强度的影响l4. 承载力深宽修正的适用条件承载力深宽修正的适用条件深层原位测试的土力学问题深层原位测试的土力学问题l深层平板载荷试验深层平板载荷试验l大直径桩，特别是单柱单桩的沉降计算大直径桩，特别是单柱单桩的沉降计算需要提供土的变形指标和验证桩底土层需要提供土的变形指标和验证桩底土层的端阻力，重新提出了深层载荷试验的的端阻力，重新提出了深层载荷试验的问题问题 。

l试井直径应等于承压板直径；试井直径应等于承压板直径；l承压板面积宜等于承压板面积宜等于0.5m2 l静力触探试验静力触探试验深层平板载荷试验深层平板载荷试验l深层平板载荷试验的特点：深层平板载荷试验的特点：l1. 钻孔卸载以后再加载的应力历史过程钻孔卸载以后再加载的应力历史过程l2. 深度与压板直径之比远大于深度与压板直径之比远大于1l3. 如何考虑压板标高以上土体对加载后如何考虑压板标高以上土体对加载后的地基中应力和应变变化的影响的地基中应力和应变变化的影响l4. 模量的计算、承载力的计算都应考虑模量的计算、承载力的计算都应考虑上述特点上述特点深层载荷试验的应力历史深层载荷试验的应力历史la-天然状态应力；天然状态应力；b-开挖试验井后，卸荷的应力；开挖试验井后，卸荷的应力；c-施加上覆土自重压力；施加上覆土自重压力；d-施加施加3倍上覆土自重压力；倍上覆土自重压力；e-施加施加6倍上覆土自重压力倍上覆土自重压力深层与浅层试验的主要区别深层与浅层试验的主要区别l荷载作用于土体内部；荷载作用于土体内部；l荷载作用面以上的土体作用的结果是减荷载作用面以上的土体作用的结果是减小荷载板的变形；小荷载板的变形；l试验是在侧向超载条件下进行的；试验是在侧向超载条件下进行的；l深度对试验结果的影响不容忽视；深度对试验结果的影响不容忽视；l在变形模量的公式中显示了深度的影响。

在变形模量的公式中显示了深度的影响变形模量计算公式变形模量计算公式勘察规范的计算公式勘察规范的计算公式计算系数计算系数Boussinesq与与Mindlin解的比较解的比较对系数对系数 I 的分析的分析l将几何参数与土性系数分离将几何参数与土性系数分离l从从上上述述推推导导可可以以看看出出，，系系数数I是是z/d与与 的的两两元元函函数数，，但但公公式式比比较较复复杂杂，，不不适适宜宜直直接接用用于于工工程程计计算算，，因因此此采采用用两两个个独独立立的的经经验验系系数数进进行行修修正正，，是是有有理理论论依依据据的的下下面面分分析析泊泊松松比比对对这这个个系系数数的的影影响响，，为为便便于于分分析析，，将将所所有有分分子子中中的的泊泊松松比比整整理理成成一一元元二二次次方方程程的的形形式式，，以以便便研研究究泊泊松松比对变形模量的影响规律比对变形模量的影响规律l已知泊松比变化范围，故以泊松比定义已知泊松比变化范围，故以泊松比定义范围的最大值范围的最大值 =0.5代入上式得到的是导代入上式得到的是导数的最小值数的最小值l 现现根根据据上上述述理理论论分分析析和和数数值值计计算算结结果果，，现提出一个与泊松比有关修正系数：现提出一个与泊松比有关修正系数：四种方法的比较四种方法的比较计算结果之间的比较计算结果之间的比较深层土层的承载能力深层土层的承载能力l深层载荷试验提供什么样的承载力深层载荷试验提供什么样的承载力？？l如何模拟静力触探的贯入机理？如何模拟静力触探的贯入机理？深基础的承载力深基础的承载力深层承载的特点深层承载的特点1.滑动面不延伸到地面，不会发生整体剪滑动面不延伸到地面，不会发生整体剪切破坏；切破坏；2.由于土拱的作用，埋置深度范围内的土由于土拱的作用，埋置深度范围内的土柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动土楔的面上；土楔的面上；3.土体对基础侧面的约束作用发挥了相当土体对基础侧面的约束作用发挥了相当重要的作用。

重要的作用深基础的最小埋置深度深基础的最小埋置深度Meyerhof 地基承载力地基承载力公式公式Meyerhof公式的应用公式的应用l忽略宽度项因为这项需要经过试算，非常麻忽略宽度项因为这项需要经过试算，非常麻烦，影响推广应用，且其值所占的比例比较小；烦，影响推广应用，且其值所占的比例比较小；l抗剪强度指标的处理根据抗剪强度指标的处理根据Terzaghi的意见，的意见，对于非整体剪切破坏的情况，应取峰值强度的对于非整体剪切破坏的情况，应取峰值强度的2/3对于深基础的情况，不可能发生整体破坏，对于深基础的情况，不可能发生整体破坏，故建议打七折使用；故建议打七折使用；l ＝＝0时，时，Nq＝＝1，，Nc式中分子与分母都趋向于式中分子与分母都趋向于零，不能直接求解零，不能直接求解 ＝＝0的的承载力系数承载力系数Ncl当 ＝＝0时， Nc ＝7.85模拟圆锥触探头的极限承载力模拟圆锥触探头的极限承载力固结理论固结理论l在一些原位测试中，可以测定土的孔隙在一些原位测试中，可以测定土的孔隙水压力的消散规律，或者可以测定土的水压力的消散规律，或者可以测定土的固结系数，其资料的整理分析都建立在固结系数，其资料的整理分析都建立在固结理论的基础上。

固结理论的基础上有效应力原理有效应力原理l总应力总应力 l孔隙水压力孔隙水压力ul有效应力有效应力天然土层渗透固结的基本概念天然土层渗透固结的基本概念一维渗流固结理论的基本假定一维渗流固结理论的基本假定l1. 土是均值的、完全饱和的；土是均值的、完全饱和的；l2. 土粒和水是不可压缩的；土粒和水是不可压缩的；l3. 土的压缩和土中水的渗流只沿竖向发生；土的压缩和土中水的渗流只沿竖向发生；l4. 土中水的渗流服从达西定律，渗透系数保持土中水的渗流服从达西定律，渗透系数保持不变；不变；l5. 孔隙比的变化与有效应力的变化成正比，且孔隙比的变化与有效应力的变化成正比，且压缩系数保持不变；压缩系数保持不变；l6. 外荷载是一次瞬时施加的外荷载是一次瞬时施加的固结微分方程及其解固结微分方程及其解l固结系数由试验测定固结系数由试验测定l在一定的起始条件和边界条件下求解微在一定的起始条件和边界条件下求解微分方程，得到任意时刻、任意点的孔隙分方程，得到任意时刻、任意点的孔隙水压力值水压力值解的起始条件和边界条件解的起始条件和边界条件l起始条件：起始条件：l指指t=0时，孔隙水压力随深度的分布规律时，孔隙水压力随深度的分布规律l边界条件：指在土层边界上的孔隙水压边界条件：指在土层边界上的孔隙水压力的数值或梯度。

力的数值或梯度时间因数时间因数Tvl时间因数是一个相对时间的概念；时间因数是一个相对时间的概念；l固结系数反映了土的固结特性；固结系数反映了土的固结特性；l固结系数是由试验求得的；固结系数是由试验求得的；l渗径反映了土层与排水层的关系渗径反映了土层与排水层的关系固结度的概念固结度的概念单面排水条件固结度的简化计算单面排水条件固结度的简化计算l透水面的起始孔隙水压力为透水面的起始孔隙水压力为p1；；l不透水面的起始孔隙水压力为不透水面的起始孔隙水压力为p2 ；；l令令各种工程问题的简化图式各种工程问题的简化图式单面排水单面排水关于固结度的讨论关于固结度的讨论l固结度是时间因数的函数固结度是时间因数的函数l渗透系数越大，越易固结；渗透系数越大，越易固结；l压缩性越小，越易固结；压缩性越小，越易固结；l时间越长，固结越充分；时间越长，固结越充分；l渗流路径越长，达到相同固结度的时间渗流路径越长，达到相同固结度的时间越长；越长；双面排水的情况双面排水的情况l形式非常简单，与起始孔隙水压力的分形式非常简单，与起始孔隙水压力的分布形式没有关系布形式没有关系l与单面排水与单面排水 ＝＝1的公式一致，故双面排的公式一致，故双面排水可以采用表中水可以采用表中 ＝＝1的的Tv值，唯值，唯H取固取固结土层厚度的一半。

结土层厚度的一半轴对称固结课题轴对称固结课题小孔扩张课题小孔扩张课题l小孔扩张课题分为球形孔扩张和圆小孔扩张课题分为球形孔扩张和圆筒形孔扩张两个课题；筒形孔扩张两个课题；l是土体内部作用一个扩张力的弹塑是土体内部作用一个扩张力的弹塑性解；性解；l对于静力触探、旁压试验、挤土桩对于静力触探、旁压试验、挤土桩施工影响等问题的研究，提供了理施工影响等问题的研究，提供了理论武器论武器小孔扩张课题基本解的推导小孔扩张课题基本解的推导 l1963年，年，Vesic提出的孔扩张理论是以库提出的孔扩张理论是以库伦伦—摩尔条件为依据，在具有内摩擦角摩尔条件为依据，在具有内摩擦角和内聚力的无限土体内，给出了球形和和内聚力的无限土体内，给出了球形和圆筒形扩张问题的基本解圆筒形扩张问题的基本解 圆筒形孔扩张理论的图式圆筒形孔扩张理论的图式l 在在初初始始半半径径为为Ri的的球球形形孔孔或或圆圆筒筒形形孔孔内内，，由由均均匀匀分分布布的的内内压压力力p所所扩扩张张，，当当压压力力增增加加时时，，围围绕绕着着孔孔的的球球形形区区或或圆圆筒筒形形区区将将成成为为塑塑性性区区，，塑塑性性区区以以外外仍仍保保持持弹弹性性状状态态。

塑塑性性区区随随着着内内压压力力的的增增加加而而不不断断扩扩张张，，直直至至内内压压力力达达到到最最终终值值pu为为止止，，这这时时，，孔孔的的半半径径已已由由初初始始值值Ri扩扩大大到到Ru，，塑塑性性区区的的半半径径扩扩大大到到Rp球球形形和和圆圆筒筒形形孔孔扩扩张张课课题题的的基基本本问问题题是是求求解解最最终终压压力力pu和和塑塑性性区区的的半半径径Rp，，运运用用求求解解过过程程中中的的一一些些结结果果，，也也可可以以用用于于解解决决深深基基础础工程的其他问题工程的其他问题l求解时，假定塑性区以内的土体是求解时，假定塑性区以内的土体是可压缩的塑性固体，具有符合库仑可压缩的塑性固体，具有符合库仑—摩尔准则的强度指标摩尔准则的强度指标c、、  ，，塑性塑性区以外的土体仍是线性变形、各向区以外的土体仍是线性变形、各向同性的固体，具有变形模量同性的固体，具有变形模量E和泊松和泊松比比  同时假定在加荷以前，土体具同时假定在加荷以前，土体具有各向相等的有效应力；并在推导有各向相等的有效应力；并在推导过程中忽略塑性区内的体积力过程中忽略塑性区内的体积力 提供的结果提供的结果l1. 径向应力径向应力l2. 塑性区边界上的塑性变形塑性区边界上的塑性变形l3. 塑性区半径塑性区半径l4. 最终压力最终压力l5. 塑性区内的体积变形塑性区内的体积变形l6. 塑性区内的孔隙水压力塑性区内的孔隙水压力l7. 弹性区内的孔隙水压力弹性区内的孔隙水压力径向应力径向应力软土的径向应力软土的径向应力塑性区边界上的径向位移塑性区边界上的径向位移塑性区的半径塑性区的半径刚度指标刚度指标Ir 最终压力最终压力软土的最终压力软土的最终压力塑性区内的体积变形塑性区内的体积变形l  ——由零到由零到1的经验系数。

的经验系数 塑性区内的孔隙水压力塑性区内的孔隙水压力弹性区内的孔隙水压力弹性区内的孔隙水压力在孔压静力触探分析中的应用在孔压静力触探分析中的应用l孔压静探初始超孔压分布孔压静探初始超孔压分布l锥面边界上的孔压（圆球扩张）锥面边界上的孔压（圆球扩张）l锥体后边界上的孔压（圆柱扩张）锥体后边界上的孔压（圆柱扩张）l初始孔压的分布初始孔压的分布l圆球扩张圆球扩张l圆柱扩张圆柱扩张l孔压探头停止贯入后，在锥尖以下，超孔压探头停止贯入后，在锥尖以下，超孔压的消散接近于球面扩散，相应于球孔压的消散接近于球面扩散，相应于球对称固结课题，在锥头以后等径部位，对称固结课题，在锥头以后等径部位，超孔压的消散为水平径向扩散，相应于超孔压的消散为水平径向扩散，相应于轴对称课题轴对称课题在旁压试验分析中的应用在旁压试验分析中的应用l旁压试验是比较典型的圆筒形孔的扩张旁压试验是比较典型的圆筒形孔的扩张课题，在实测的旁压腔的体积变形与施课题，在实测的旁压腔的体积变形与施加压力的曲线上可以定出加压力的曲线上可以定出p0、、pf和和pl 3个个特征值 旁压模量旁压模量 l在在似似弹弹性性段段，，径径向向位位移移与与径径向向应应力力及及半半径的关系可以根据拉梅解求得：径的关系可以根据拉梅解求得：l 在增量压力作用下，在增量压力作用下，径向位移的增量径向位移的增量考虑体积的变化考虑体积的变化dv，，可以写成可以写成 l式中式中 vc—旁压腔固有体积；旁压腔固有体积；l v— 校正后的体积变形。

校正后的体积变形求刚度指标求刚度指标 l刚度指标在试验室内测定比较困难，主刚度指标在试验室内测定比较困难，主要是不排水模量的测定条件与不排水强要是不排水模量的测定条件与不排水强度的测定条件很难一致利用旁压试验度的测定条件很难一致利用旁压试验的结果，可以求土层的刚度指标，由于的结果，可以求土层的刚度指标，由于是利用同一试验的资料确定，其值比较是利用同一试验的资料确定，其值比较可信利用旁压试验结果计算刚度指标可信利用旁压试验结果计算刚度指标的公式推导如下：的公式推导如下： l旁压试验得到的极限应力相当于圆筒形旁压试验得到的极限应力相当于圆筒形孔扩张课题中的最终压力孔扩张课题中的最终压力pu，，根据试验根据试验稳定的时间，可以认为旁压试验时土体稳定的时间，可以认为旁压试验时土体来不及充分排水来不及充分排水刚度指标刚度指标l当孔壁压力当孔壁压力p介于介于pf 和和pl之间时，由下式之间时，由下式表示：表示：  公公式式说说明明，，p与与 ln v/v 的的曲曲线线在在塑塑性性阶阶段段应应呈呈现现直直线线段段，，直直线线的的斜斜率率即即为为不不排排水水抗抗剪剪强强度度c，，将将c代代入入刚刚度度指指标标的公式即可求得刚度指标的公式即可求得刚度指标Ir。

l 现场试验现场试验l现场试验是对于在工程现场进行的试验现场试验是对于在工程现场进行的试验总称，它是在实际的地质条件下进行的，总称，它是在实际的地质条件下进行的，能够反映地质条件的影响能够反映地质条件的影响l是和室内试验（取样试验和模型试验）是和室内试验（取样试验和模型试验）相对而言的；相对而言的；l分为原型试验和模型试验两种分为原型试验和模型试验两种现场试验的试验设计现场试验的试验设计l1. 根据工程的地质条件、应力条件和试根据工程的地质条件、应力条件和试验的目的，选择试验方法和试验设备；验的目的，选择试验方法和试验设备；l2. 根据实际应力水平和加荷的速度选择根据实际应力水平和加荷的速度选择加荷水平和等级，选用试验终止的标准；加荷水平和等级，选用试验终止的标准；l3. 根据试验的目的和要求，设计观测测根据试验的目的和要求，设计观测测定的数据和选择量测的项目；定的数据和选择量测的项目；l4. 根据工程条件，设计特殊的试验方法根据工程条件，设计特殊的试验方法和试验仪器和试验仪器原型试验与模型试验原型试验与模型试验l原型试验又称足尺试验或原型观测，是原型试验又称足尺试验或原型观测，是基本按实际工程的尺寸进行试验或对原基本按实际工程的尺寸进行试验或对原型建筑物进行观测。

型建筑物进行观测l模型试验是按一定的比例缩小尺寸，但模型试验是按一定的比例缩小尺寸，但在现场进行试验，与室内模型试验不完在现场进行试验，与室内模型试验不完全相同珠海斗门筑堤试验实例珠海斗门筑堤试验实例 l试验路堤底宽试验路堤底宽24m, 边坡边坡1  1.5, 纵向长纵向长度度20m，，坡度坡度1 4试验设计的一般内容试验设计的一般内容l1. 试验的目的－最终得到什么结果试验的目的－最终得到什么结果l2. 试验的方法试验的方法l3. 试验的规模试验的规模l4. 量测的项目量测的项目l5. 测点的布置测点的布置l6. 试验的方案试验的方案l6. 测读的内容测读的内容l7. 数据的分析数据的分析两阶段的试验设计两阶段的试验设计l第一阶段：方案设计第一阶段：方案设计l明确试验的目的和试验的预期结果；明确试验的目的和试验的预期结果；l提出试验技术路线、试验方法和规模，提出试验技术路线、试验方法和规模，l试验的经费预算与试验工期，解决性价试验的经费预算与试验工期，解决性价比l第二阶段：实施阶段的设计第二阶段：实施阶段的设计l确定试验的位置，地层条件，试验的确定试验的位置，地层条件，试验的具体具体 方法，量测的测点位置，传感器方法，量测的测点位置，传感器埋设的要求，加载的方法和终止加载埋设的要求，加载的方法和终止加载的条件，数据测读的具体规定。

的条件，数据测读的具体规定l对于传感器的埋设和导线保护都要作对于传感器的埋设和导线保护都要作精心的设计与施工精心的设计与施工原型试验设计的案例原型试验设计的案例l复合桩基和纯桩基对比的原型观测复合桩基和纯桩基对比的原型观测l堆山造景的大型堆载试验堆山造景的大型堆载试验l桩基负摩阻力的足尺试验桩基负摩阻力的足尺试验复合桩基和纯桩基对比的原型观测复合桩基和纯桩基对比的原型观测l在采用复合桩基和普通桩基的两幢建筑物中，在采用复合桩基和普通桩基的两幢建筑物中，布置桩顶测力传感器和土压力盒，在施工过程布置桩顶测力传感器和土压力盒，在施工过程中实测中心桩、边桩和角桩的桩顶荷载的分布中实测中心桩、边桩和角桩的桩顶荷载的分布规律和基底不同位置的反力分布规律，测量建规律和基底不同位置的反力分布规律，测量建筑物各点的沉降量比较不同桩型的桩土分担筑物各点的沉降量比较不同桩型的桩土分担作用，以及在不同加载条件下桩土分担作用的作用，以及在不同加载条件下桩土分担作用的变化规律，研究复合桩基和普通桩基在桩土应变化规律，研究复合桩基和普通桩基在桩土应力比和沉降分布等方面的差异，研究其各自适力比和沉降分布等方面的差异，研究其各自适用的范围与条件。

用的范围与条件 l本本工工程程采采用用钢钢筋筋混混凝凝土土预预制制200 200方方桩桩，，桩桩长长16米米，，桩桩基基持持力力层层为为⑥⑥层层（（暗暗绿绿-草草黄黄色色粉粉质质粘粘土土）），，总总桩桩数数为为294根根，，承承台台置置于于第第②②1层层土土（（褐褐黄黄色色粉粉质质粘粘土土））上上，，地地基基承承载载力力设设计计值值为为110kPa单单桩桩极极限限承承载载力力标标准准值值384KN，，单单桩桩竖竖向向承承载载力力设设计计值值为为240KN本本工工程程标标高高为为相相对对标标高高，，±0.000的的绝绝对对标标高高为为5.450m，，室室外外地地坪坪设设计计绝绝对对标标高高为为5.000m，，桩桩顶顶设设计计绝绝对对标标高高为为2.75m建建筑筑物物最最大大沉沉降降量量83.7mm桩顶反力传感器埋设设计桩顶反力传感器埋设设计导线引出的设计导线引出的设计大型堆载试验设计大型堆载试验设计l 研究堆山造景引起的相邻影响，包括研究堆山造景引起的相邻影响，包括竖向沉降和水平位移，影响范围，堆载的竖向沉降和水平位移，影响范围，堆载的临界高度，堆载沉降的固结速率。

临界高度，堆载沉降的固结速率l 需要确定堆载的面积、堆载的高度及分需要确定堆载的面积、堆载的高度及分级加载，如何加载和量测哪些数据级加载，如何加载和量测哪些数据l 用什么仪器量测，传感器埋设在什么用什么仪器量测，传感器埋设在什么位置？位置？堆载面积取多大？堆载面积取多大？l 堆载面积的大小取决于主要软土层堆载面积的大小取决于主要软土层的深度 l 第第⑥⑥层暗绿色粉质粘土层面在地面层暗绿色粉质粘土层面在地面下下25m左右，堆载的宽度不应小于第左右，堆载的宽度不应小于第⑥⑥层层暗绿色粉质粘土层的埋藏深度，故取堆暗绿色粉质粘土层的埋藏深度，故取堆载的平均宽度为载的平均宽度为26m，，堆载的高度为堆载的高度为4m，，边坡为边坡为1:1，则堆载的底宽为，则堆载的底宽为30m，，堆堆载的底面为方形载的底面为方形分级加载分级加载l分四级加载，第分四级加载，第1和第和第2级各填级各填1.25m厚度的厚度的土，第土，第3和第和第4级各填级各填0.75m厚度的土厚度的土深层观测组的布置深层观测组的布置l 在堆载范围的中心、边缘的中点和在堆载范围的中心、边缘的中点和距边缘一倍宽度处分别设三组深层观测距边缘一倍宽度处分别设三组深层观测组。

在堆载范围的中心处，设深层沉降组在堆载范围的中心处，设深层沉降和孔隙水压力的观测组，在边缘中点和和孔隙水压力的观测组，在边缘中点和边缘外一倍宽度处，各设深层沉降、孔边缘外一倍宽度处，各设深层沉降、孔隙水压力和水平位移的观测组隙水压力和水平位移的观测组 地面变形观测地面变形观测l 堆载范围内的地面，在中心点和堆载范围内的地面，在中心点和4个个角点设置地面沉降观测标，在堆载范围角点设置地面沉降观测标，在堆载范围以外，设置以外，设置8个地面沉降观测标个地面沉降观测标l 在堆载的一条边线上，设置在堆载的一条边线上，设置5个边桩，个边桩，观测地面的水平位移观测地面的水平位移传感器在深度上的布置传感器在深度上的布置l 深层沉降环设置在（中心点包括地面）深层沉降环设置在（中心点包括地面）第第③③、第、第④④、第、第⑤⑤1－－1、第、第⑤⑤1－－2、第、第⑥⑥、第、第⑦⑦1和和⑦⑦2层的顶面处层的顶面处l 孔隙水压力传感器布置在各主要土层孔隙水压力传感器布置在各主要土层的中部，即在地面下深度分别为的中部，即在地面下深度分别为1.8m、、7.5m、、15.0m、、20.0m和和23.5m和和26.5m处。

处足尺试验设计足尺试验设计l 完全按照工程的要求打桩、制作箱形完全按照工程的要求打桩、制作箱形承台，上部结构可以采用原型制作或者采承台，上部结构可以采用原型制作或者采用等代量加重物的方法模拟实际荷载的分用等代量加重物的方法模拟实际荷载的分布加载方案加载方案l 在别墅建造完成以后，在别墅四周在别墅建造完成以后，在别墅四周堆土，分四级加载，第堆土，分四级加载，第1和第和第2级各填级各填1.25m厚度的土，第厚度的土，第3和第和第4级各填级各填0.75m厚度的土厚度的土l 可以采用对称加载和不对称加载两可以采用对称加载和不对称加载两种方案不对称加载的程度为两侧相差种方案不对称加载的程度为两侧相差一级荷载，以观测建筑物的倾斜趋势，一级荷载，以观测建筑物的倾斜趋势，如倾斜超过警戒值，采取反向加载使之如倾斜超过警戒值，采取反向加载使之回倾堆载引起的地基变形堆载引起的地基变形l 在别墅的四个角点布置测点，观测建在别墅的四个角点布置测点，观测建筑物的沉降、不均匀沉降和水平位移的筑物的沉降、不均匀沉降和水平位移的数值l 在别墅四周堆载范围内，于堆载中在别墅四周堆载范围内，于堆载中点处各设置地面沉降观测标，在堆载范点处各设置地面沉降观测标，在堆载范围以外，设置围以外，设置8个地面沉降观测标。

个地面沉降观测标l 在桩基承台底面埋设压力盒量测基在桩基承台底面埋设压力盒量测基础底面反力的变化规律础底面反力的变化规律l 在堆载与建筑物之间埋设测斜管在堆载与建筑物之间埋设测斜管堆载引起的负摩阻力堆载引起的负摩阻力l 在四根桩身上布置桩身轴力的观测，在四根桩身上布置桩身轴力的观测，钢筋应力计在深度方向布置在主要土层钢筋应力计在深度方向布置在主要土层的层面变化处，在一根桩中布置两根钢的层面变化处，在一根桩中布置两根钢筋的量测筋的量测 l 四根桩分别为中心位置、角点各一四根桩分别为中心位置、角点各一根，边的中点二根，根，边的中点二根，l 在桩的附近布置深层孔隙水压力和在桩的附近布置深层孔隙水压力和深层沉降观测，平面位置见附图深层沉降观测，平面位置见附图模型试验设计模型试验设计l模型试验设计的关键是模型比例的确定；模型试验设计的关键是模型比例的确定；l各个物理量的比例并不是任意确定的；各个物理量的比例并不是任意确定的；l应根据相似理论进行设计；应根据相似理论进行设计；l无论是室内模型试验或者现场模型试验无论是室内模型试验或者现场模型试验都必须遵循相似定律。

都必须遵循相似定律相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析l用于模型试验设计，包括静力模型试验用于模型试验设计，包括静力模型试验和动力模型试验、室内模型试验和现场和动力模型试验、室内模型试验和现场模型试验、常规模型试验和离心模型试模型试验、常规模型试验和离心模型试验；验；l相似现象的同一物理量之比称为相似系相似现象的同一物理量之比称为相似系数：数：l几何相似系数几何相似系数分布力相似系数分布力相似系数 模量相似系数模量相似系数 位移相似系数位移相似系数相似第一定理相似第一定理l相似不变量存在定理，彼此相似的现象，相似不变量存在定理，彼此相似的现象，其相似指标等于其相似指标等于1l例如单向压缩时的应力例如单向压缩时的应力l若模型要与之相似，方程中各物理量互若模型要与之相似，方程中各物理量互成比例，成比例，l代入上式得代入上式得l移项得：移项得：l由于表示的物理量相同，要求相似指标由于表示的物理量相同，要求相似指标等于等于1；；l表示相似现象各物理量之间存在制约关表示相似现象各物理量之间存在制约关系力学问题的主要量纲力学问题的主要量纲物理量物理量力系统量纲力系统量纲质量系统量纲质量系统量纲长度、挠度、线位移长度、挠度、线位移[L][L]时间时间[T][T]力、剪力力、剪力[F][MLT-2]弯矩、扭矩、功、能弯矩、扭矩、功、能量量[FL][ML2T-2]应力、模量应力、模量[FL-2][ML-1 T-2]量纲的主要性质量纲的主要性质l1. 只有量纲相同的物理量才能相加减；只有量纲相同的物理量才能相加减；l2. 两个同量纲参数的比值是无量纲参数，两个同量纲参数的比值是无量纲参数，其值不随所用的单位大小而改变；其值不随所用的单位大小而改变；l3. 若某一物理现象有若某一物理现象有n个参数，个参数，k个基本个基本量纲，则可组成（量纲，则可组成（n-k））个无量纲参数组个无量纲参数组合。

每一个无量纲参数组合称为一个合每一个无量纲参数组合称为一个“ ”数，相似现象的对应数，相似现象的对应 数相等；数相等；l4. 含含n个参数、个参数、k个基本量纲的物理方程个基本量纲的物理方程可改写为含（可改写为含（n-k））个独立个独立 数的方程；数的方程；l物理方程改写为物理方程改写为l量纲分析的例子量纲分析的例子l根据经验，沉降和荷载、基础宽度、土根据经验，沉降和荷载、基础宽度、土的模量及土层厚度有关，物理方程为：的模量及土层厚度有关，物理方程为：l由于由于 是是无量纲系数，各幂指数为零无量纲系数，各幂指数为零量纲分析的结果量纲分析的结果l几何相似条件；几何相似条件；l荷载相似条件：荷载相似条件：l荷载相似系数：荷载相似系数：l荷载、模量和基础宽度之间的制约关系荷载、模量和基础宽度之间的制约关系l如果在现场用实际的土层进行模型试验，如果在现场用实际的土层进行模型试验，l如果几何尺寸的比例取如果几何尺寸的比例取10，，l则荷载的比例应取为则荷载的比例应取为100谢谢 谢谢再再 见见。